第4单元第13课 第二节《基于物联网平台的LED灯控制系统方案设计与实施》教案【河北大学版】《信息科技》八年级
文档属性
| 名称 | 第4单元第13课 第二节《基于物联网平台的LED灯控制系统方案设计与实施》教案【河北大学版】《信息科技》八年级 |  | |
| 格式 | doc | ||
| 文件大小 | 6.3MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 河北大学版 | ||
| 科目 | 信息科技（信息技术） | ||
| 更新时间 | 2025-10-17 18:08:24 | ||
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文档简介
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第4.13课《基于物联网平台的LED灯控制系统方案设计与实施》教学设计
课题 基于物联网平台的LED灯控制系统方案设计与实施 单元 第四单元 学科 信息科技 年级 八年级
核心素养目标 信息意识：准确识别物联网 LED 控制系统的核心组件，理解各组件间数据交互逻辑，提升对远程控制技术的认知敏感度。计算思维：拆解 “云平台 - 开发板 - LED 灯” 的通信流程，分析数据从发送到执行的关键环节，培养技术问题拆解能力。数字化学习与创新：掌握开发板接入云平台的操作步骤，能独立完成 LED 灯远程控制程序的基础调试，提升数字工具应用与系统搭建创新能力。信息社会责任：认识物联网设备通信中的数据安全风险，规范保存云平台账号与设备凭证，树立技术应用的安全意识。
教学重点 掌握基于物联网平台的 LED 灯远程控制系统从硬件连接、云平台设置到程序设计与测试的完整流程。
教学难点 理解开发板与物联网平台的通信机制，以及程序中回调函数对 LED 灯状态控制的逻辑。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 第4.13课 基于物联网平台的LED灯控制系统方案设计与实施观看视频 课程新知导入。 帮助学生初步理解本课研究内容。
讲授新课 新知讲解：知识链接示例开发板有 4个Type – C 扩展接口（U1 - U4，各对应不同IO引脚）；IO 为输入输出，数字是数据传输引脚，默认优先用前两个引脚；所有扩展接口支持3Pin、5Pin外接设备，U1、U2 还支持6Pin，可连接SPI协议设备、PS2手柄等。（详细内容见教材p96页）图4-23 示例开发板扩展接口 查一查图4-24所示是示例开发板系列配套的几种外接模块，其引脚标识有所不同。查阅各模块的使用说明书，分别写出每种模块引脚的作用。图4-24外接模块DIN：数据输入引脚，接收数据。DOU：数据输出引脚，发送数据。AIN：模拟量输入引脚，采集模拟信号。NC：空引脚，不连接功能。SCL、SDA：I2C 总线的时钟线、数据线，用于 I2C 通信。为了方便与杜邦线接口的外接设备连接，示例开发板系列扩展模块中有专门的外接扩展模块(12针)，如图4-25所示。图4-25外接扩展模块U1: A IO1 B IO2 C IO4 D IO5U2: A IO9 B IO10 C IO6 D IO7U3: A IO17 B - IO18 C - IO44U4: A IO11 B - IO12 C - IO43实践探究三、从互联网到物联网3.软件编程语言选择示例开发板支持 MicroPython 开发，可用图形化编程软件拖拽模块快速开发，界面还能同步显示对应 MicroPython 代码，便于后续 MicroPython 开发。如图4-26所示。（详细内容见教材p98页）图4-26程序设计软件界面小知识MicroPython 的 umqtt.simple 库是轻量级 MQTT 客户端库，不支持 TLS 加密，若需提升安全性，可使用 umqtt.robust 库，通过 SSL/TLS 协议加密数据传输，对应 MQTT 端口为 8883。4.硬件电路连接将LED模块通过Type-C数据线连接到示例开发板的U1接口，LED模块对应的IO接口为IO1。如图4-27所示。图4-27电路连接图5.物联网云平台设置建立一个物联网项目，如图4-28所示。 新建项目并其命名注意：项目名称只能由字母和数字组成。如图4-29所示。（详细内容见教材p99页）图4-28项目管理界面图4-29新建项目单击“LED1”项目的箭头样式按键，进入项目编辑界面，如图4-30所示。图4-30项目编辑界面单击界面右上角的加号样式按键，添加“开关”组件。将组件命名为“LED开关”，消息主题为默认设置“button”。拨动开关可以在该主题下发布对应的消息。如图4-31所示。图4-31新建组件6.开发板程序设计启动示例程序设计软件，进入编程界面，如图4-32所示。图4-32示例程序设计软件编程界面按住开发板 B1 键，用 Type - C 数据线连计算机，计算机识别硬件后松开按键，开发板进入固件下载模式，选好串口、板卡，点 “初始化固件” 完成烧录。如图4-33所示。（详细内容见教材p101页）图4-33烧录固件固件初始化后复位或通电进入编程模式。实现 LED 远程控制步骤：1.初始化 IO1 为输出并设低电平关 LED。2.连 Wi-Fi，创建平台客户端，开发板连接并订阅 “LED1” 的 “button” 主题，设回调函数。3.检测到新消息则执行回调，自动传递参数处理。 （详细内容见教材p102页）图4-34LED灯远程控制程序流程图LED灯远程控制的参考程序如图4-35所示。详细代码见教材p103，104页。图4-35 LED灯远程控制图形化参考程序提示在代码“client_id='xx_client”中，ID(账号)必须保持服务器全局唯一，每个人都要有自己的ID。本书示例程序中用斜体表示的代码需要根据用户实际情况调整参数。程序中 Wi-Fi 账号密码要设为可用网络的。编程时项目名要和平台一致，本项目是 “LED1”，订阅主题 “button”。开发板订阅 “button” 主题，收到消息 “1” 则点亮 LED 灯。 （详细内容见教材p105页）图4-36查看密码7.测试验证平台组件界面点绿色键运行程序，网页开关控制 LED 亮灭。图4-37 运行程序操作按键点平台 “数据” 选项卡，可查看按键时间和开关状态变化。 （详细内容见教材p105，106页）图4-38数据界面小知识系统调试可使用 “分段排查法”：先排查硬件（用万用表测引脚电压），再排查网络（ping 云平台 MQTT 地址），最后排查程序（在关键步骤添加 print 语句打印日志），高效定位问题。课堂练习完成单项选择题：1.物联网 LED 控制系统中，实现远程通信的关键组件是（ B ） A. 开发板 B. 云平台 C. LED 灯 D. 限流电阻 完成多项选择题：2.选择物联网云平台时，需考虑的因素有（ ABC ） A.是否支持 MQTT 协议 B. 是否提供免费版本 C. 是否有设备管理功能 D. 是否支持硬件直接生产 3. 简述物联网 LED 控制系统从 “控制终端发送指令” 到 “LED 灯执行动作” 的完整流程。 控制终端在云平台发送开关灯指令。 指令通过 MQTT 协议传输至云平台。 云平台将指令下发给已联网的开发板。 开发板接收指令，控制对应引脚输出高低电平。 LED 灯根据引脚电平变化，执行亮 / 灭动作。开发板将 LED 灯当前状态上传至云平台，完成反馈。拓展延伸在这个项目中，我们实现了通过特定服务平台网页远程控制连接到开发板的LED灯。如果我们想要在网页上同时查看开发板连接的传感器采集到的信息，那么开发板不仅要订阅“button”主题，还要发布新主题，向物联网平台发送消息，以传递传感器采集的信息。试一试要实现此功能，该如何改写程序呢 对平台又该做怎样的对应设置呢 试着做一做吧。程序改写：1.按传感器类型写采集函数获取数据。2.用对应协议发布数据到新主题（如 “sensor/data”）。3.保留 “button” 主题订阅，不影响 LED 控制。平台设置：1.订阅新主题，配置界面显示数据。2.分配开发板发布权限，确保数据上传。语音控制集成可对接智能音箱（如小爱同学、天猫精灵），通过语音指令控制 LED 灯，将智能音箱与云平台关联，语音指令先转化为文字指令，再通过云平台下发给开发板，实现 “语音 - 指令 - 动作” 的联动。多设备协同控制基于同一云平台，可添加多个开发板与 LED 灯，实现 “一键控制多灯”（如同时开启客厅、卧室的 LED 灯），需在云平台创建 “群组主题”，让多个设备同时订阅该主题。观看视频： LED传感器用途功能原理 学习知识链接。完成查一查。认识图形化编程软件，了解其与代码的关联。学习小知识。学习相关知识。学台相关知识。学习开发板程序相关知识。阅读提示。学习相关知识。学习小知识。完成练习题。进行知识拓展。完成试一试。 为后续硬件连接和编程操作奠定硬件知识基础。分析硬件功能的能力，助力后续硬件集成。降低编程难度，帮助学生入门物联网项目开发。帮助学生掌握 MicroPython 中 MQTT 相关库的知识。 让学生掌握硬件连接操作，为系统搭建做好硬件准备。熟悉云平台操作流程，完成系统云端部分的设置，为远程控制提供平台支持。让学生掌握开发板编程前的准备操作，确保开发板可正常进行程序编写与运行。让学生了解代码参数设置的注意事项，确保在实际编程时能正确配置，保证程序与服务器通信正常。让学生完成系统整体测试，验证功能实现，同时了解数据记录与展示，深化对系统的认知。让学生掌握高效的系统调试方法，以便在后续实际操作中能快速定位并解决问题。考察学生学以致用的能力，深化对本课知识内容的理解和掌握。拓宽学生知识面。引导学生将所学知识进行拓展应用，提升编程与系统设置的实践能力，培养创新思维和问题解决能力。
课堂小结 基于物联网平台的LED灯控制系统方案设计与实施 第二节1.知识链接2.开发验证 3.完成课堂练习4.进行知识拓展 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 实操任务：基于课堂所学，在家庭环境中搭建简易物联网 LED 控制系统，完成 “手机 APP 远程控制 LED 灯” 的功能，拍摄测试视频（时长≥30 秒，包含指令发送、LED 状态变化、云平台状态显示）。 分析任务：记录搭建过程中遇到的 2 个问题及解决方法，对比 “局域网控制” 与 “物联网远程控制” 的操作步骤差异，撰写 500 字以内的分析报告。 布置作业 拓展学生的学习能力
课堂板书 观看板书 强调教学重点内容。
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第4.13课《基于物联网平台的LED灯控制系统方案设计与实施》教学设计
课题 基于物联网平台的LED灯控制系统方案设计与实施 单元 第四单元 学科 信息科技 年级 八年级
核心素养目标 信息意识：准确识别物联网 LED 控制系统的核心组件，理解各组件间数据交互逻辑，提升对远程控制技术的认知敏感度。计算思维：拆解 “云平台 - 开发板 - LED 灯” 的通信流程，分析数据从发送到执行的关键环节，培养技术问题拆解能力。数字化学习与创新：掌握开发板接入云平台的操作步骤，能独立完成 LED 灯远程控制程序的基础调试，提升数字工具应用与系统搭建创新能力。信息社会责任：认识物联网设备通信中的数据安全风险，规范保存云平台账号与设备凭证，树立技术应用的安全意识。
教学重点 掌握基于物联网平台的 LED 灯远程控制系统从硬件连接、云平台设置到程序设计与测试的完整流程。
教学难点 理解开发板与物联网平台的通信机制，以及程序中回调函数对 LED 灯状态控制的逻辑。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 第4.13课 基于物联网平台的LED灯控制系统方案设计与实施观看视频 课程新知导入。 帮助学生初步理解本课研究内容。
讲授新课 新知讲解：知识链接示例开发板有 4个Type – C 扩展接口（U1 - U4，各对应不同IO引脚）；IO 为输入输出，数字是数据传输引脚，默认优先用前两个引脚；所有扩展接口支持3Pin、5Pin外接设备，U1、U2 还支持6Pin，可连接SPI协议设备、PS2手柄等。（详细内容见教材p96页）图4-23 示例开发板扩展接口 查一查图4-24所示是示例开发板系列配套的几种外接模块，其引脚标识有所不同。查阅各模块的使用说明书，分别写出每种模块引脚的作用。图4-24外接模块DIN：数据输入引脚，接收数据。DOU：数据输出引脚，发送数据。AIN：模拟量输入引脚，采集模拟信号。NC：空引脚，不连接功能。SCL、SDA：I2C 总线的时钟线、数据线，用于 I2C 通信。为了方便与杜邦线接口的外接设备连接，示例开发板系列扩展模块中有专门的外接扩展模块(12针)，如图4-25所示。图4-25外接扩展模块U1: A IO1 B IO2 C IO4 D IO5U2: A IO9 B IO10 C IO6 D IO7U3: A IO17 B - IO18 C - IO44U4: A IO11 B - IO12 C - IO43实践探究三、从互联网到物联网3.软件编程语言选择示例开发板支持 MicroPython 开发，可用图形化编程软件拖拽模块快速开发，界面还能同步显示对应 MicroPython 代码，便于后续 MicroPython 开发。如图4-26所示。（详细内容见教材p98页）图4-26程序设计软件界面小知识MicroPython 的 umqtt.simple 库是轻量级 MQTT 客户端库，不支持 TLS 加密，若需提升安全性，可使用 umqtt.robust 库，通过 SSL/TLS 协议加密数据传输，对应 MQTT 端口为 8883。4.硬件电路连接将LED模块通过Type-C数据线连接到示例开发板的U1接口，LED模块对应的IO接口为IO1。如图4-27所示。图4-27电路连接图5.物联网云平台设置建立一个物联网项目，如图4-28所示。 新建项目并其命名注意：项目名称只能由字母和数字组成。如图4-29所示。（详细内容见教材p99页）图4-28项目管理界面图4-29新建项目单击“LED1”项目的箭头样式按键，进入项目编辑界面，如图4-30所示。图4-30项目编辑界面单击界面右上角的加号样式按键，添加“开关”组件。将组件命名为“LED开关”，消息主题为默认设置“button”。拨动开关可以在该主题下发布对应的消息。如图4-31所示。图4-31新建组件6.开发板程序设计启动示例程序设计软件，进入编程界面，如图4-32所示。图4-32示例程序设计软件编程界面按住开发板 B1 键，用 Type - C 数据线连计算机，计算机识别硬件后松开按键，开发板进入固件下载模式，选好串口、板卡，点 “初始化固件” 完成烧录。如图4-33所示。（详细内容见教材p101页）图4-33烧录固件固件初始化后复位或通电进入编程模式。实现 LED 远程控制步骤：1.初始化 IO1 为输出并设低电平关 LED。2.连 Wi-Fi，创建平台客户端，开发板连接并订阅 “LED1” 的 “button” 主题，设回调函数。3.检测到新消息则执行回调，自动传递参数处理。 （详细内容见教材p102页）图4-34LED灯远程控制程序流程图LED灯远程控制的参考程序如图4-35所示。详细代码见教材p103，104页。图4-35 LED灯远程控制图形化参考程序提示在代码“client_id='xx_client”中，ID(账号)必须保持服务器全局唯一，每个人都要有自己的ID。本书示例程序中用斜体表示的代码需要根据用户实际情况调整参数。程序中 Wi-Fi 账号密码要设为可用网络的。编程时项目名要和平台一致，本项目是 “LED1”，订阅主题 “button”。开发板订阅 “button” 主题，收到消息 “1” 则点亮 LED 灯。 （详细内容见教材p105页）图4-36查看密码7.测试验证平台组件界面点绿色键运行程序，网页开关控制 LED 亮灭。图4-37 运行程序操作按键点平台 “数据” 选项卡，可查看按键时间和开关状态变化。 （详细内容见教材p105，106页）图4-38数据界面小知识系统调试可使用 “分段排查法”：先排查硬件（用万用表测引脚电压），再排查网络（ping 云平台 MQTT 地址），最后排查程序（在关键步骤添加 print 语句打印日志），高效定位问题。课堂练习完成单项选择题：1.物联网 LED 控制系统中，实现远程通信的关键组件是（ B ） A. 开发板 B. 云平台 C. LED 灯 D. 限流电阻 完成多项选择题：2.选择物联网云平台时，需考虑的因素有（ ABC ） A.是否支持 MQTT 协议 B. 是否提供免费版本 C. 是否有设备管理功能 D. 是否支持硬件直接生产 3. 简述物联网 LED 控制系统从 “控制终端发送指令” 到 “LED 灯执行动作” 的完整流程。 控制终端在云平台发送开关灯指令。 指令通过 MQTT 协议传输至云平台。 云平台将指令下发给已联网的开发板。 开发板接收指令，控制对应引脚输出高低电平。 LED 灯根据引脚电平变化，执行亮 / 灭动作。开发板将 LED 灯当前状态上传至云平台，完成反馈。拓展延伸在这个项目中，我们实现了通过特定服务平台网页远程控制连接到开发板的LED灯。如果我们想要在网页上同时查看开发板连接的传感器采集到的信息，那么开发板不仅要订阅“button”主题，还要发布新主题，向物联网平台发送消息，以传递传感器采集的信息。试一试要实现此功能，该如何改写程序呢 对平台又该做怎样的对应设置呢 试着做一做吧。程序改写：1.按传感器类型写采集函数获取数据。2.用对应协议发布数据到新主题（如 “sensor/data”）。3.保留 “button” 主题订阅，不影响 LED 控制。平台设置：1.订阅新主题，配置界面显示数据。2.分配开发板发布权限，确保数据上传。语音控制集成可对接智能音箱（如小爱同学、天猫精灵），通过语音指令控制 LED 灯，将智能音箱与云平台关联，语音指令先转化为文字指令，再通过云平台下发给开发板，实现 “语音 - 指令 - 动作” 的联动。多设备协同控制基于同一云平台，可添加多个开发板与 LED 灯，实现 “一键控制多灯”（如同时开启客厅、卧室的 LED 灯），需在云平台创建 “群组主题”，让多个设备同时订阅该主题。观看视频： LED传感器用途功能原理 学习知识链接。完成查一查。认识图形化编程软件，了解其与代码的关联。学习小知识。学习相关知识。学台相关知识。学习开发板程序相关知识。阅读提示。学习相关知识。学习小知识。完成练习题。进行知识拓展。完成试一试。 为后续硬件连接和编程操作奠定硬件知识基础。分析硬件功能的能力，助力后续硬件集成。降低编程难度，帮助学生入门物联网项目开发。帮助学生掌握 MicroPython 中 MQTT 相关库的知识。 让学生掌握硬件连接操作，为系统搭建做好硬件准备。熟悉云平台操作流程，完成系统云端部分的设置，为远程控制提供平台支持。让学生掌握开发板编程前的准备操作，确保开发板可正常进行程序编写与运行。让学生了解代码参数设置的注意事项，确保在实际编程时能正确配置，保证程序与服务器通信正常。让学生完成系统整体测试，验证功能实现，同时了解数据记录与展示，深化对系统的认知。让学生掌握高效的系统调试方法，以便在后续实际操作中能快速定位并解决问题。考察学生学以致用的能力，深化对本课知识内容的理解和掌握。拓宽学生知识面。引导学生将所学知识进行拓展应用，提升编程与系统设置的实践能力，培养创新思维和问题解决能力。
课堂小结 基于物联网平台的LED灯控制系统方案设计与实施 第二节1.知识链接2.开发验证 3.完成课堂练习4.进行知识拓展 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 实操任务：基于课堂所学，在家庭环境中搭建简易物联网 LED 控制系统，完成 “手机 APP 远程控制 LED 灯” 的功能，拍摄测试视频（时长≥30 秒，包含指令发送、LED 状态变化、云平台状态显示）。 分析任务：记录搭建过程中遇到的 2 个问题及解决方法，对比 “局域网控制” 与 “物联网远程控制” 的操作步骤差异，撰写 500 字以内的分析报告。 布置作业 拓展学生的学习能力
课堂板书 观看板书 强调教学重点内容。
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